Понятие алгоритма - Лекция, раздел Информатика, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ В Основу Работы Эвм Положен Программный Принцип Управления, Состоящий В Том, ...
В основу работы ЭВМ положен программный принцип управления, состоящий в том, что ЭВМ выполняет действия по заранее заданной программе. Программа – это упорядоченная последовательность команд, которые понимает ЭВМ.
В основе любой программы лежит алгоритм. Алгоритм – это полное и точное описание на некотором языке конечной последовательности правил, указывающих исполнителю действия, которые он должен выполнить, чтобы за конечное время перейти от (варьируемых) исходных данных к искомому результату.
Термин «алгоритм» произошел от имени среднеазиатского ученого аль-Хорезми (787 – ок. 850), которым были описаны общие правила (названные позднее алгоритмами) выполнения основных арифметических действий в десятичной системе счисления. Эти алгоритмы изучаются в начальных разделах школьной математики. К числу алгоритмов школьного курса математики относятся также правила решения определенных видов уравнений или неравенств, правила построения различных геометрических фигур и т. п. Понятие алгоритма используется не только в математике, но и во многих областях человеческой деятельности, например, говорят об алгоритме управления производственным процессом, алгоритме управления полетом ракеты, алгоритме пользования бытовым прибором. Причем интуитивно под алгоритмом понимают некоторую систему правил, обладающих определенными свойствами.
Далее, изучая понятие алгоритма, мы будем предполагать, что его исполнителем является автоматическое устройство - ЭВМ. Это накладывает на запись алгоритма целый ряд обязательных требований. Сформулируем эти требования в виде перечня свойств, которыми должен обладать алгоритм, адресуемый к исполнению на ЭВМ.
1. Первым свойством алгоритма является дискретный (пошаговый) характер определяемого им процесса. Возникающая в результате такого разбиения запись алгоритма представляет собой упорядоченную последовательность отдельных предписаний (директив, команд), образующих прерывную/дискретную структуру алгоритма: только выполнив требования одного предписания можно приступить к исполнению следующего.
2. Исполнитель может выполнить алгоритм, если он ему понятен, то есть записан на понятном ему языке и содержит предписания, которые исполнитель может выполнить. Набор действий, которые могут быть выполнены исполнителем, называется системой команд исполнителя. Алгоритм не должен содержать описания действий, не входящих в систему команд исполнителя, то есть своей структурой команд и формой записи алгоритм должен быть ориентирован на конкретного исполнителя.
3. Алгоритмы, предназначенные для исполнения техническим устройством, не должны содержать предписаний, приводящих к неоднозначным действиям. Алгоритм рассчитан на чисто механическое исполнение, и если применять его повторно к одним и тем же исходным данным, то всегда должен получаться один и тот же результат; при этом и промежуточные результаты, полученные после соответствующих шагов алгоритмического процесса, тоже должны быть одинаковыми. Это свойство определенности и однозначности – детерминированности - алгоритма позволяет использовать в качестве исполнителя специальные машины-автоматы.
4. Основополагающим свойством алгоритма является его массовость, применимость к некоторому классу объектов, возможность получения результата при различных исходных данных на некоторой области допустимых значений. Например, исходными данными в алгоритмах аль-Хорезми могут быть любые пары десятичных чисел. Конечно, его способ не всегда самый рациональный по сравнению с известными приемами быстрого счета. Но смысл массовости алгоритма состоит как раз в том, что он одинаково пригоден для всех случаев, требует лишь механического выполнения цепочки простых действий и при этом исполнителю нет нужды в затратах творческой энергии.
5. Цель выполнения алгоритма – получение конечного результата посредством выполнения указанных преобразований над исходными данными. В алгоритмах аль-Хорезми исходными данными и результатом являлись числа. Причем при точном исполнении всех предписаний алгоритмический процесс должен заканчиваться за конечное число шагов. Это обязательное требование к алгоритмам – требование их результативности или конечности.
В математике известны вычислительные процедуры алгоритмического характера, не обладающие свойством конечности. Например, процедура вычисления числа p. Однако, если мы введем условие завершения вида «закончить после получения n десятичных знаков числа p», то получим алгоритм вычисления n десятичных знаков числа p. На этом принципе построены многие вычислительные алгоритмы.
6. Если алгоритм должен быть выполнен не просто за конечное время, а за разумное конечное время, то речь идет об эффективности алгоритма. Время выполнения алгоритма очень важный параметр, однако, понятие эффективности алгоритма трактуется шире, включая такие аспекты, как сложность, необходимые ресурсы, информационно-программное обеспечение. Эффективность алгоритма часто определяет возможность его практической реализации.
Все темы данного раздела:
Москва, 2012
Оглавление
Глава 1. Лекция 1. 2
1.1. Задачи учебной дисциплины 2
1.2. Основные понятия 2
1.3. Системы счисления 6
1.3.1. Двоичная,
Задачи учебной дисциплины
Информатика является базовой учебной дисциплиной, охватывающей сведения о технических, программных и алгоритмических средствах организации современных информационных систем и формирующей у обучаемо
Системы счисления
Система счисления – это соглашение о представлении чисел посредством конечной совокупности символов (цифр) A = {a0, a1, …, an-1}, называемой алфавито
Двоичная, десятичная и шестнадцатеричная системы
Значение числа, представленного конечной дробью, в n-ичной системе счисления
amam–1…a1a0,a–1a–2…a–k,
г
Перевод целых чисел
Правила перевода числа в другую, не десятичную систему счисления различаются для целых и дробных чисел.
Перевод целого числа X осуществляется по следующему алгоритму:
1) получить
Перевод дробных чисел
Если при переводе конечной дроби в другую систему счисления получается конечная дробь, то такой перевод называется точным. Если при переводе получается бесконечная дробь, тогда перевод называется п
Логические основы ЭВМ
Принципы работы ЭВМ основываются на законах математической логики, поэтому ее элементы широко используются для поиска и обработки информации и при разработке схем электронных устройств.
Ма
Логические функции
Логическая функция (функция алгебры высказываний) f(X1, X2, …, Xn) от n переменных – n-арная операция на множестве [0; 1]. В этой функции логические переменные X
По этапам создания
Разделение ЭВМ на поколения условно, так как поколения сменялись постепенно, поэтому временные границы между поколениями размыты. Поколения ЭВМ разделяют в зависимости от физических элементов или т
Микропроцессор
Микропроцессор (МП; CPU – Central Processing Unit (центральный обрабатывающий модуль)) – центральный блок ЭВМ, управляющий работой всех компонент ЭВМ и выполняющий операции над информацией. Операци
Системная шина
В основе устройства ЭВМ лежит системная шина, которая служит для обмена командами и данными между компонентами ЭВМ, расположенными на материнской плате. ПУ подключаются к шине через контроллеры. Та
Постоянное и оперативное ЗУ
Запоминающие устройства, используемые в ЭВМ, состоят из последовательности ячеек. Каждая ячейка содержит значение одного байта и имеет собственный номер (адрес), по которому происходит обращение к
Внешние ЗУ
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения и транспортировки информации. ВЗУ взаимодействуют с системной шиной через контроллеры внешних запоминающих устройств
Магнитные носители
Магнитные носители основаны на свойстве материалов находиться в двух состояниях: «не намагничено»-«намагничено», кодирующие 0 и 1. По поверхности носителя перемещается головка, которая может считыв
Оптические носители
Оптические носители представляют собой компакт-диски диаметром 12 см (4,72 дюйма) или мини-диски диаметром 8 см (3,15 дюйма). Оптические носители состоят из трех слоев:
1) поликарбонатная
Видеокарта
Видеоподсистема ЭВМ включает два устройства:
1) монитор (дисплей), отображающий на своем экране текстовую и графическую информацию пользователю;
2) видеокарта (ВК; видеоконтроллер
Монитор
Основными характеристиками мониторов являются размер экрана, разрешение, размер зерна и частота развертки монитора.
Размер экрана монитора задается величиной его диагонали в дюймах. Принят
Контроллеры портов ввода-вывода
Контроллер порта ввода-вывода (КПВВ) обеспечивает интерфейс между периферийным устройством, подключенным к порту КПВВ, и системной шиной.
Порты ввода-вывода делятся на два типа в зависимос
Клавиатура
Клавиатура – это стандартное клавишное устройство ввода, предназначенное для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления. Клавиатуры имеют по 101-104 клавиши, размещенные по стандарту QWERT
Принтеры
Печатающие устройства (принтеры) – это устройства вывода данных из ЭВМ и фиксирующие их на бумаге. Основными характеристиками принтеров являются разрешающая способность, скорость печати, объем уста
Сканеры
Сканер – это устройство для ввода в ЭВМ информации с бумаги, слайдов или фотопленки.
Различают планшетные и ручные сканеры.
Принцип работы планшетных сканеров заключается в следую
Программное обеспечение ЭВМ
Совокупность программ, процедур и правил, а также документации, связанных с функционированием системы обработки данных, составляют программное обеспечение (ПО; software). Программное и аппаратное о
Операционные системы
Операционная система (ОС) представляет собой комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны, она опирается на базовое ПО, входящее в его систему BIOS, с другой стороны, она сам
Распределение ресурсов ЭВМ между процессами
После запуска программы создается соответствующий ей процесс, которому выделяются ресурсы ЭВМ. Каждый процесс получает адресное пространство в ОЗУ, содержащее стек, регистры, счетчик команд и други
Поддержание файловой системы
На одном физическом жестком диске может размещаться один или несколько логических дисков. Физический диск – это отдельное устройство. ОС разбивает физический диск на несколько разделов, в каждом из
Обеспечение интерфейса пользователя
По реализации интерфейса пользователя различают интерфейс командной строки и графический интерфейс.
Основным устройством управления в интерфейсе командной строки является клавиатура. Управ
Драйверы устройств
Чтобы управлять устройствами, используются драйверы устройств – специальные программы, которые выполняют две основные задачи:
1) перевод команд ОС в команды контроллера и обратно;
Алгоритмизация
Алгоритмизация – процесс разработки и описания алгоритма решения какой-либо задачи.
Пусть имеется некоторая математическая задача, которая может быть решена одним из известных математическ
Словесная запись алгоритмов
Самой распространенной формой представления алгоритмов, адресуемых человеку, является обычная словесная запись. В этой форме могут быть выражены любые алгоритмы. Но если такой алгоритм предн
Схемы алгоритмов
Схема алгоритма – это графический способ его представления с элементами словесной записи. Каждое предписание алгоритма изображается с помощью плоской геометрической фигуры – блока. Отсюда название:
Технология разработки алгоритмов
Опыт практической алгоритмизации и программирования привел к формированию неких общих принципов и методов проектирования, разработки и оформления алгоритмов.
Какими качествами должен облад
Разработка программы
Процесс программирования - это запись разработанного алгоритма на специальном языке (языке программирования) - представление алгоритма на языке, "понятном" исполнителю (вычислительной маш
Отладка и тестирование программы
Отладка программы – это процесс поиска и устранения ошибок. Часть ошибок формального характера, связанных с нарушением правил записи конструкций языка или отсутствием необходимых описаний, обнаружи
Вычислительные сети
Вычислительная сеть (информационно-вычислительная сеть) – это совокупность узлов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему.
Модель взаимодействия открытых систем
Для описания общей модели взаимодействие открытых систем используется эталонная модель OSI (Open System Interconnection). Модель OSI состоит из 7 уровней (от низших к высшим):
1) физически
Сетевые протоколы
Протоколы – это соглашение о формате и правилах передачи данных по сети. Протоколы обладают следующими свойствами:
- протоколы работают на разных уровнях модели OSI, поэтому функции проток
Топологии вычислительных сетей
Вычислительные машины, объединенные в локальную сеть, физически могут располагаться различным образом. Однако порядок их подсоединения к сети определяется топологией – усредненной геометрической сх
Виды коммутации
Основным назначением узлов коммутации является прием, анализ, а в сетях с маршрутизацией еще и выбор маршрута, и отправка данных по выбранному направлению.
Узлы коммутации осуществляют оди
Способы адресации ЭВМ в сети
В вычислительных сетях существуют три способа адресации.
1. Аппаратные адреса представляют собой шестнадцатеричные номера (12 цифр; например: 00-08-74-96-92-5C). Присвоение аппаратных адре
Маршрутизация
Маршрутизация необходима для обеспечения следующих характеристик:
- максимальной пропускной способности сети;
- минимального времени прохождения пакета от отправителя к получателю
Глобальная сеть
Сеть Интернет – это глобальная сеть, соединяющая сети различного размера по всему миру. Сеть Интернет – это информационное пространство, содержащее огромное количество информации, хранилище информа
Протоколы сети Интернет
Протоколы сети Интернет можно разделить на два типа: базовые и прикладные. Базовые протоколы – это протоколы нижнего уровня. Они обеспечивают физическую передачу сообщений между узлами в сети Интер
Система адресации в Интернет
Каждому компьютеру, подключенному к сети Интернет, присваивается числовой адрес, называемый IP-адресом.
IP-адрес используется в протоколах передачи данных. IP-адрес содержит полную информа
Электронная почта
Служба электронной почты (electronic mail, e-mail) появилась раньше сети Интернет, однако она остается популярным способом пересылки сообщений. Электронное письмо похоже на письмо, пересылаемое по
Служба WWW
Всемирная сеть (WWW) – самая популярная служба на базе сети Интернет благодаря своей доступности, простоте и удобству использования. Всемирная сеть объединяет веб-серверы, хранящие гипертекстовые д
Служба передачи файлов
Файлы большого объема можно переслать по электронной почте или разместить на веб-сервере. Однако пересылка по электронной почте возможно лишь нескольким получателям, а размещение файлов на веб-серв
Базы данных и СУБД
Одной из задач информационных систем является хранение данных из определенной предметной области. Предметная область – это часть реального мира, объединяющая схожие или связанные понятия. Чтобы нео
Свойства базы данных
Самодокументированность. БД должна иметь словарь данных в специально отведенном месте, которое используется для хранения информации о самой базе данных. Словарь содержит информацию: об архит
Реляционная модель данных
Классификация СУБД по типу модели данных:
Дореляционные
Инвертированные списки (файлы)
Иерархические
Сетевые
Реляционные
Постреляционные
Нормализация отношений
Нормализация отношений – это приведение отношений к виду, позволяющему устранить дублирование, обеспечить непротиворечивость данных, хранимых в БД, и уменьшить трудозатраты на ведение БД.
Типы связей
Отношения могут быть связаны следующими типами связей:
- один-к-одному (1:1);
- один-ко-многим (1:M);
- многие-ко-многим (M:M).
Рассмотрим сущность этих связей н
Список дополнительной литературы
Бройдо В.Л., Ильина О.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – 4-е изд. – СПб.: Питер, 2011. – 560 с. Велихов А.В. Основы информатики и компьютерной техн
Новости и инфо для студентов